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Gastruloide

Ejemplo de un gastruloide formado a partir de células madre de ratón Brachyury::GFP, tratadas con un pulso del agonista Wnt/β-catenina CHIR99021 entre 48 y 72 h y fotografiadas mediante microscopía de fluorescencia de campo amplio a las 120 h. Observe la expresión polarizada de Brachyury::GFP (Bra) en la punta alargada del gastruloide. Imagen de van den Brink et al. (2014), utilizada con licencia CC-BY.

Los gastruloides son agregados tridimensionales de células madre embrionarias (CME) que, cuando se cultivan en condiciones específicas, exhiben una organización similar a la de un embrión. Se desarrollan con tres ejes ortogonales y contienen las células primordiales de varios tejidos derivados de las tres capas germinales, sin la presencia de tejidos extraembrionarios. Cabe destacar que no poseen estructuras de prosencéfalo , mesencéfalo y rombencéfalo . Los gastruloides sirven como un sistema modelo valioso para estudiar el desarrollo de los mamíferos, incluido el desarrollo humano, así como las enfermedades asociadas con él. Son un sistema modelo de organoide embrionario para el estudio del desarrollo de los mamíferos (incluidos los humanos) y las enfermedades. [1] [2] [3]

Fondo

El sistema modelo de los gastruloides tiene su origen en el trabajo de Marikawa et al. [ 4] En ese estudio, se agregaron pequeñas cantidades de células de carcinoma embrionario (CE) P19 de ratón como cuerpos embrionarios (CE) y se utilizaron para modelar e investigar los procesos implicados en la polaridad anteroposterior y la formación de una región de veta primitiva. [4] En este trabajo, los CE pudieron organizarse en estructuras con expresión génica polarizada, elongación/organización axial y regulación positiva de marcadores mesodérmicos posteriores . Esto contrastaba marcadamente con el trabajo que utilizaba CE de células madre embrionarias de ratón, que habían mostrado cierta polarización de la expresión génica en una pequeña cantidad de casos, pero ningún desarrollo adicional del sistema multicelular. [5] [6]

Tras este estudio, el laboratorio de Martínez Arias en el Departamento de Genética de la Universidad de Cambridge demostró cómo los agregados de células madre embrionarias de ratón (CME) eran capaces de generar estructuras que exhibían comportamientos colectivos con una sorprendente similitud con los que se observaban durante el desarrollo temprano, como la ruptura de la simetría (en términos de expresión génica), la elongación axial y la especificación de la capa germinal. [1] [2] [3] Para citar el artículo original: "En conjunto, estas observaciones enfatizan aún más la similitud entre los procesos que hemos descubierto aquí y los eventos en el embrión. Los movimientos están relacionados con los de las células en embriones gastrulantes y por esta razón llamamos a estos agregados 'gastruloides'". Como señalaron los autores de este protocolo, una diferencia crucial entre este método de cultivo y el trabajo previo con células madre embrionarias de ratón fue el uso de pequeñas cantidades de células que pueden ser importantes para generar la escala de longitud correcta para la formación de patrones, y el uso de condiciones de cultivo derivadas de la diferenciación dirigida de las CME en cultivos adherentes [1] [7] [3] [2] [8]

Brachyury (T/Bra) , un gen que marca la línea primitiva y el sitio de la gastrulación, se regula positivamente en los gastruloides después de un pulso del agonista Wnt/β-catenina CHIR99021 [9] (Chi; también se han probado otros factores [1] ) y se regionaliza hacia la punta elongada del gastruloide. Desde o cerca de la región que expresa T/Bra, las células que expresan el marcador mesodérmico tbx6 se extruyen de manera similar a las células en el embrión en gastrulación; es por esta razón que estas estructuras se llaman gastruloides. [1]

Estudios posteriores revelaron que los eventos que especifican la expresión de T/Bra en los gastruloides imitan a los del embrión. [2] Después de siete días, los gastruloides exhiben una organización muy similar a un embrión de gestación media con primordios organizados espacialmente para todos los derivados mesodérmicos (axial, paraxial, intermedio, cardíaco, craneal y hematopoyético) y endodérmicos , así como la médula espinal. [10] [11] [3] También implementan la expresión del gen Hox con las coordenadas espaciotemporales del embrión. [3] Los gastruloides carecen de cerebro y de tejidos extraembrionarios, pero la caracterización de la complejidad celular de los gastruloides a nivel de transcriptómica unicelular y espacial revela que contienen representantes de las tres capas germinales, incluida la cresta neural, las células germinales primordiales y los primordios placodales. [12] [13]

Una característica de los gastruloides es la desconexión entre los programas y esquemas transcripcionales y la morfogénesis. Sin embargo, los cambios en las condiciones de cultivo pueden provocar la morfogénesis; se ha demostrado que los gastruloides forman somitas [13] [12] y estructuras cardíacas tempranas. [14] Además, las interacciones entre los gastruloides y los tejidos extraembrionarios promueven un tejido polarizado anterior, similar al del cerebro. [15]

Recientemente se han obtenido gastruloides a partir de células madre embrionarias humanas [16] , lo que brinda a los biólogos del desarrollo la capacidad de estudiar el desarrollo humano temprano sin necesidad de embriones humanos. Sin embargo, es importante destacar que el modelo de gastruloide humano no puede formar un embrión humano, lo que significa que no está intacto, no es viable y no es equivalente a los embriones humanos in vivo .

El término gastruloide se ha ampliado para incluir disposiciones de células madre embrionarias humanas autoorganizadas en patrones (micropatrones) que imitan eventos de patrones tempranos en el desarrollo; [17] [18] estas disposiciones deberían denominarse gastruloides 2D.

Referencias

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  2. ^ abcd Turner, David A.; Girgin, Mehmet; Alonso-Crisostomo, Luz; Trivedi, Vikas; Baillie-Johnson, Peter; Glodowski, Cherise R.; Hayward, Penelope C.; Collignon, Jérôme; Gustavsen, Carsten (1 de noviembre de 2017). "Polaridad anteroposterior y elongación en ausencia de tejidos extraembrionarios y de señalización localizada espacialmente en gastruloides: organoides embrionarios de mamíferos". Desarrollo . 144 (21): 3894–3906. doi :10.1242/dev.150391. ISSN  0950-1991. PMC 5702072 . PMID  28951435. 
  3. ^ abcde Beccari, Leonardo; Moris, Naomi; Girgin, Mehmet; Turner, David A.; Baillie-Johnson, Peter; Cossy, Anne-Catherine; Lutolf, Matthias P.; Duboule, Denis; Arias, Alfonso Martinez (octubre de 2018). "Propiedades de autoorganización multiaxial de células madre embrionarias de ratón en gastruloides". Nature . 562 (7726): 272–276. Bibcode :2018Natur.562..272B. doi :10.1038/s41586-018-0578-0. ISSN  0028-0836. PMID  30283134. S2CID  52915553.
  4. ^ ab Marikawa, Yusuke; Tamashiro, Dana Ann A.; Fujita, Toko C.; Alarcón, Vernadeth B. (1 de febrero de 2009). "Células de carcinoma embrionario de ratón P19 agregadas como un modelo in vitro simple para estudiar las regulaciones moleculares de la formación del mesodermo y la morfogénesis de la elongación axial". Génesis . 47 (2): 93–106. doi :10.1002/dvg.20473. ISSN  1526-968X. PMC 3419260 . PMID  19115346. 
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  7. ^ Baillie-Johnson, Peter; Brink, Susanne Carina van den; Balayo, Tina; Turner, David Andrew; Arias, Alfonso Martinez (2015). "Generación de agregados de células madre embrionarias de ratón que muestran ruptura de simetría, polarización y comportamiento colectivo emergente in vitro". Journal of Visualized Experiments (105): e53252. doi :10.3791/53252. PMC 4692741. PMID  26650833 . 
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